Cientistas identificam nova classe de nanocristais semicondutores

Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) confirmam a identificação de uma nova classe de nanocristais semicondutores com excitons brilhantes no estado fundamental, um avanço significativo no campo da optoeletrônica, em um artigo publicado no periódico da American Chemical Society (ACS). ACS Nano.

A pesquisa teórica inovadora pode revolucionar o desenvolvimento de dispositivos emissores de luz altamente eficientes e outras tecnologias.

Geralmente, o exciton de menor energia em nanocristais emite pouco, ganhando o nome de exciton “escuro”. Como ele retarda a emissão de luz, o exciton escuro limita o desempenho de dispositivos baseados em nanocristais, como lasers ou diodos emissores de luz (LEDs). Os cientistas há muito buscam superar o exciton escuro.

“Nós nos propusemos a encontrar novos materiais nos quais a ordenação do exciton é invertida, de modo que o exciton de menor energia seja brilhante”, disse John Lyons, Ph.D., da Seção de Teoria de Materiais Funcionais Avançados. “Pesquisando em bancos de dados de materiais de código aberto usando critérios informados por nossa modelagem teórica, identificamos mais de 150 alvos. Nós estreitamos ainda mais essa lista com cálculos avançados de primeiros princípios, terminando com 28 candidatos para nanomateriais de exciton brilhante.”

Modelagem mais detalhada desses materiais indica que pelo menos quatro podem produzir excitons brilhantes de estado fundamental em nanocristais. “Essa descoberta, feita em colaboração com o Prof. David Norris do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) de Zurique e Peter Sercel, Ph.D., do Centro de Semicondutores Híbridos Orgânicos-Inorgânicos para Energia (CHOISE), pode abrir caminho para o desenvolvimento de dispositivos emissores de luz ultrabrilhantes e altamente eficientes, lasers e outras tecnologias”, disse Lyons.

Alexander Efros, Ph.D., cientista sênior da divisão de Ciência dos Materiais e autor sênior do artigo, elaborou as implicações da pesquisa.

“Em nossa pesquisa, identificamos vários materiais de exciton brilhante que podem emitir luz em um amplo espectro, do infravermelho ao ultravioleta”, disse Efros. “Essa versatilidade os torna muito úteis para aplicações optoeletrônicas. A capacidade de projetar nanocristais com estados excitônicos brilhantes em toda essa ampla faixa abre novos caminhos para criar LEDs, células solares e fotodetectores melhores e mais eficientes.”

Ao resolver o problema do exciton escuro, os cientistas do NRL esperam estimular a grande comunidade de nanomateriais a atacar nanoestruturas de exciton brilhante, uma área que está parada há muito tempo. Hoje, três desses materiais estão sendo cultivados no NRL como parte da iniciativa Bright Nanocrystal Emitters do Nanoscience Institute Program, com o objetivo de demonstrar conclusivamente o comportamento do exciton brilhante no laboratório e alavancá-lo para futuras tecnologias navais.

“Nossas descobertas demonstram o poder de combinar triagem computacional de alto rendimento, teoria de caneta e papel e cálculos de alta precisão da estrutura eletrônica”, disse Michael Swift, Ph.D. “Nenhuma técnica seria suficiente por si só, mas juntos descobrimos novos nanocristais ultrabrilhantes e desbloqueamos o poder do éxciton brilhante em classes inexploradas de materiais.”

A Seção de Teoria de Materiais Funcionais Avançados realiza pesquisas básicas e aplicadas em sistemas de materiais funcionais, estruturais, biológicos e eletrônicos. A seção é pioneira em novos métodos para simular materiais e sistemas, incluindo desenvolvimento original de técnicas computacionais e teóricas, modificação de abordagens existentes e aplicação de metodologias estabelecidas a novos materiais e áreas. O objetivo da seção é usar teoria e simulação para entender, melhorar e desenvolver materiais de importância naval presente e futura.